某临江地埋式污水处理厂工程抗浮及基坑支护方案分析

廖星樾

泸州市兴泸水务（集团）股份有限公司 646000

引言

地埋式污水处理厂因不占用地表、噪声污染小，以及地表常打造为市政公园等优点而在市政工程中逐渐被推广。但地下综合箱体一般埋置较深，基坑面积大［1］，仅靠池体自重往往难以满足抗浮稳定性的要求，一旦抗浮失效出现上浮事故会直接影响工程正常使用，其处理难度大且成本很高。地下箱体基坑设计时，选用适宜的基坑支护方式，可大大节约基坑支护费用，减少基坑开挖对工期及周围环境的影响。因此，合理的池体抗浮方案和基坑支护方案对地埋式污水处理厂的成功实施至关重要。

王星星等［2］通过工程实例对地埋式污水厂微型锚桩的抗浮设计、计算分析进行了阐述，廖小雄［3］采用SAFE、MIDAS进行地下室底板抗浮锚杆计算，邹杰［4］通过有限元分析对比对抗浮锚杆的布置方式给出了建议，以往这些地埋式污水厂抗浮研究集中于抗浮锚杆的计算分析，对抗拔桩和抗浮锚杆结合设置的方案需要进一步分析研究。万玉生等［5］、孙安等［1］对地埋式污水处理厂的基坑设计进行了定性分析，针对复杂地埋式污水处理厂的基坑设计仍需进一步定量分析。本文以泸州市某临江污水处理厂为背景，对抗拔桩+抗浮锚杆结合的抗浮措施进行了分析，并对基坑支护方案进行了探讨。

1 工程概况

泸州市某临江污水处理厂的规划总规模为20万m3／d，位于城市东部，紧靠长江边。一期已建地面式污水厂规模5 万m3／d；二期扩建地埋式污水厂规模为10 万m3／d。地下综合箱体平面尺寸为206.9m×157.2m，设计顶标高为244.0m～244.50m，原始标高与设计顶标高相近；箱体负一层为操作层，标高为237.00m；地下负二层为水处理池，标高为227.60m～230.30m。其地下箱体及支护情况见图1。本场区土层自上而下分为：①1杂填土，层厚1.5m～11.0m；①2素填土，层厚0.5m～6.5m；②可塑及软塑粉质黏土，层厚1.0m～13.0m；③粉土，层厚1.3m～5.0m；④1粉砂，层厚0.5m～10.0m；⑤1细砂，层厚0.2m～5.0m；⑥卵石土分布较均匀，层厚较大；⑦砂质泥岩。

图1 地下箱体及支护典型剖面示意Fig.1 Typical cross-section of underground box and support

本工程场地附近的地表水主要为场地北侧的溪沟及长江，距长江直线距离约350m，勘察期间水位标高为222.50m，该处长江洪水期间平均水位涨幅在8.0m～12.0m 左右，对应标高230.50m～234.50m，50 年一遇的洪水水位标高为241.68m。基坑支护后，坑内肥槽和周边地层的联通性降低，可能产生滞水，故本工程抗浮设计水位取为242.00m。

2 抗浮方案

2.1 抗浮措施的选用

本工程由于地下水位较高，地下综合箱体应满足抗浮稳定标准要求，需进行抗浮验算［5］。地下箱体埋深及平面尺寸较大，地下水产生的浮力较大，而顶部覆土厚度有限，其抗浮方案是工程设计中必须解决的重难点问题。

地下工程抗浮措施主要有以下四种：释放水浮力法、增加配重法、抗拔桩和抗浮锚杆。释放水浮力法［6］是一种有效的抗浮措施，但除了建设时的一次性投入外，该方法在后期使用中的运行费用较高，同时受排水设备稳定性、停电等情况限制，因此在本工程中未考虑该抗浮措施。增加配重法一般适用于埋深较浅、水浮力较小的情况，通过增加适量的配重即可满足抗浮稳定性要求，本项目地下箱体浮力较大，难以通过配重满足抗浮稳定性要求。抗拔桩和抗浮锚杆则是通过桩体或锚固体的自重及与基底岩土层的摩阻力提供抗拔力［8］，可通过调整长度及平面间距以满足不同区域抗浮力的要求，适用于本项目地下箱体抗浮设计。

根据本工程的地质条件，地下综合箱体西北侧基底土层为中风化砂质泥岩，地基承载力及沉降变形满足设计要求，此区域选用锚杆抗浮；其余区域基底土层为粉质黏土及粉砂层，地基承载力和沉降变形均不能满足设计要求，则选用直径600mm旋挖钻孔灌注桩承载地下箱体的同时提供抗拔力。

2.2 抗浮初步设计

根据《建筑工程抗浮技术标准》［7］，本工程抗浮设计等级为甲级，使用期间需抗浮稳定系数KW＝G／NW，K≥1.1（G 为建筑物自重及压重之和，NW，K为浮力作用值）。由于箱体底板的刚度并不是无限大，在浮力的作用下会发生较大的变形及内力，需考虑箱体各区域局部抗浮问题，而非采用整体抗浮计算。本文以地下箱体生化池区域抗浮计算为例。

生化池区域底板底标高228.00，板顶覆土按平均1.2m考虑。故生化池区域单位面积需要提供抗浮力为W -G ＝90.9kN／m2。其中，W 为抗浮力，G为生化池区域单位面积自重及覆土重。

1.抗拔桩

根据桩基初步布置，单桩受荷面积为6m2，每桩承担的抗浮力为545.4kN，每桩抗拔力特征值取600kN满足要求。经计算，生化池区域选配1820，As＝5655mm2，桩基最大裂缝为0.18mm，满足要求。根据《建筑基桩技术规范》（JGJ 94—2008）5.4.6.1 条初步计算桩长：各区域地质条件不同，计算桩长为7m～12m，同时结合其竖向承压要求，本工程灌注桩桩长为8m～15m。

2.抗浮锚杆

抗浮锚杆是一种有效的技术手段，具有良好的地层适应性，易于施工，锚杆布置非常灵活，锚固效率高，有利于建筑结构的应力与变形协调，减少结构造价，在许多条件下优于压重和抗浮桩方案［2］。

单根锚杆受荷面积2.4m2，每根锚杆承担的抗浮力为218.16kN，每根锚杆抗浮力特征值取250kN满足要求。根据《建筑工程抗浮技术标准》（JGJ 476—2019）［7］第7.5.6 条及第7.5.4 条计算：采用328 三级筋，AS＝1847mm2，筋体截面满足要求。锚杆长度取4.50m，满足抗浮计算要求。其中：锚杆锚固体的抗拔安全系数K ＝2.0；锚固体与岩层间的粘结强度标准值frbk＝320kPa；锚固体直径d ＝180mm；经验系数ξ ＝0.8。

2.3 有限元分析复核

利用通用有限元分析软件SAP2000 对抗浮设计进行复核，生化池整体模型见图2，在模型中通过在底板下的抗拔桩及抗浮锚杆相应位置设置竖向点弹簧来模拟桩基（锚杆）的效应，参考张武等［8］对单桩竖向刚度的研究，桩基竖向点弹簧刚度取值为4 ×105kN／m，根据《高压喷射扩大头锚杆技术规程》（JGJ／T 282—2012）［9］第4.6.9 条及工程经验，抗浮锚杆竖向弹簧刚度取值为1.5 ×105kN／m。

图2 生化池区域整体模型Fig.2 Overall model of biochemical pool area

以“外土+自重工况”验算生化池抗浮，将桩基（锚杆）拉力（F3）按照由大到小的顺序排列，如表1 所示（表中仅列举前20 节点）。

表1 桩基、锚杆抗拔力计算结果（单位：kN）Tab.1 Calculation results of pile foundation pullout resistance（unit：kN）

由表1 可知，底板下节点弹簧的内力为负，单桩最大拉力548kN，与初步计算的单桩平均拉力545.4kN基本相符；锚杆最大拉力230kN，与初步计算的锚杆平均拉力218.16kN 基本相符，生化池桩基及锚杆布置满足对应的抗拔要求。

根据抗浮计算及有限元计算复核结果，本项目在地质条件较好基岩区域采用“筏板基础+抗浮锚杆”的形式，在地质条件较差区域采用Φ600旋挖灌注桩+筏板基础，该方案能有效地解决地下箱体的抗浮问题。

3 基坑支护方案

3.1 基坑概况

本工程综合箱体基坑东西长约220m，南北长约167m，最大开挖深度15m。基坑周边环境复杂，场地北侧有运行铁路线（距基坑约32m）、输气管线（距基坑约12m）、通信管线（距基坑约9m），场地南侧为跃水溪（距基坑约50m），同时场地东侧为运行中污水厂一期（距基坑41m）。基坑与周边环境关系如图3 所示。

图3 基坑平面及周边环境示意Fig.3 Schematic diagram of foundation pit plan and surrounding environment

3.2 基坑支护选型

根据基坑概况及地质条件可知，本基坑设计存在以下难点：（1）基坑开挖范围及深度较大；（2）基坑周边环境复杂，对变形控制要求高；（3）基坑地下水位较高。基坑支护方案的选择要综合考虑场地地质条件、场地地下水、施工场地平面布置、场地周围建筑环境及工程造价等影响因素。本项目基坑尺寸较大，因此内支撑方式不易实现。综合本基坑特点、地质条件、场地周边环境、基坑和周围构筑物安全及造价等多方面因素考虑，基坑南北侧及东侧由于存在现状不可迁改的管线及河流，采用“排桩+锚索”的支护形式，基坑西侧现状管线经建设单位沟通可进行迁改，故采用“放坡+挂网锚喷”的支护形式。北侧部分区域因土质较差和锚索拉力无法满足要求，而采“用双排桩+锚索”的支护形式。

3.3 基坑支护方案计算分析

1.计算依据及土体参数

根据《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120—2012）［10］，依据基坑开挖深度以及基坑周边环境综合判定：地下负二层结构基坑安全等级一级，重要性系数为1.1；局部仅地下负一层时，基坑安全等级二级，重要性系数为1.0。支挡结构的嵌固稳定性系数Kem在安全等级为一级、二级时分别不应小于1.25、1.2，双排桩支挡结构整体稳定性安全系数Ks分别不应小于1.35、1.3，支挡结构抗隆起稳定性安全系数Khe分别不应小于1.8、1.6。

本工程利用理正深基坑软件进行基坑支护计算，土体参数取值如表2 所示。

表2 土体参数取值Tab.3 Soil parameters

2.计算结果及分析

以双排桩为例进行分析计算：上部2m 采用1∶2 放坡，网喷80mm厚并设置钢筋网片，下部采用“双排灌注桩+锚索”。灌注桩桩径为1.2m，桩中心距2m，桩长31.0m，排桩间距为2.4m。设置2 排4 束15.2 钢绞线扩大头锚索，普通锚固体直径为200mm，锚索水平间距为2.0m。第一道锚索长26.5m（锚杆自由段为10m，普通锚固段为12m，扩大头段为4.5m，预应力为350kN），第二道锚索长21.5m（锚杆自由段为6m，普通锚固段为11m，扩大头段为4.5m，预应力为350kN），其支护断面详图4。

图4 双排桩基坑支护断面Fig.4 Cross section of double row pile foundation pit support

最不利断面计算结果包络图如图5 所示，由图5 可知前排桩最大水平位移为22.36mm，后排桩最大水平位移为26.87mm；前排桩最大弯矩为958.5kN·m，后排桩最大弯矩为533.2kN·m；前排桩最大剪力为351.5kN，后排桩最大剪力为231.0kN。

图5 基坑支护断面计算结果包络图Fig.5 Envelope diagram of calculation results for foundation pit support cross-section

由表3 计算结果可知，本基坑支护方案能满足基坑施工及周边建（构）筑物、管线等的稳定性和安全性的要求。

表3 计算结果Tab.3 Calculation results

3.4 基坑降水与隔水

本工程地下水位高，综合箱体地基处理、基坑开挖施工前需要先降低地下水，施工期间以截水沟、排水沟等明排水方式进行排水。坑底下部土层多为砂层和卵石层等强透水层，采用管井降水。在进行施工降水方案设计时，该场地地下水的渗透系数k粉砂采用1.0m／d，细砂采用3.0m／d，卵石采用32.0m／d。由于降水过程中，容易将卵石中的细粒土（砂、粉土等）抽出，易造成基坑周围的地面塌陷、建筑物沉降破坏等，因此基坑降水方案要求对出砂量进行控制，并在基坑降水过程中对基坑周边的路面、建筑物进行沉降观测。

本项目综合箱体基坑采用“降水井+明排+局部隔水”的方式排除地下水，共布置降水井38口，井深27.5m，井间距约20m。降水井沿建筑物周边进行布置。根据地勘资料，基坑开挖后周边有透水性较好的土层（砂卵石）时，布置“降水井+隔水”；基坑开挖后地层主要为粉质黏土和泥岩的区域不布置降水井，主要采用明排方式。土方开挖阶段及基础施工时明排、降水井降水和隔水共同实施，以达到降水目的。

3.5 基坑监测方案

根据《建筑基坑工程监测技术标准》［11］，在基坑开挖前应在基坑周边布置变形、沉降观测点。其中：建筑物四角、沿外墙10m～15m 布置监测点，沿基坑周边布置支护结构监测点，间距不宜大于20m且每边不少于3 个，周边中部、阳角处均布置，水平、竖向位移监测点宜为共用点。共布置水平、竖向位移监测点37 个，周边环境监测点34 个。

4 结论

本文以泸州市某临江地埋式污水处理厂工程为例，对地埋式污水处理厂的抗浮方案及基坑支护方案设计进行分析，总结如下：

1.对地下箱体生化池区域的抗浮设计方案采用初步计算及有限元计算对比分析，结果表明采用的筏板结合锚杆及旋挖灌注桩的桩筏基础方案能有效解决地下箱体的抗浮问题。

2.地下污水厂平面尺寸及埋深较大，基坑开挖时对周边环境影响大，需结合地质条件和周边环境选择多种支护形式相结合的基坑支护方案。

3.对最不利基坑支护断面采用双排锚拉桩结合喷锚放坡的基坑支护方案，并进行基坑稳定性及变形的验算，结果表明该方案能满足本项目基坑安全的要求。